Trocador de calor com recuperação de calor de caldeira permite conservação de energia e redução de carbono na indústria siderúrgica
Posicionamento central: O valor central dos trocadores de calor de recuperação de calor de caldeira
A produção de aço não pode ser separada do suporte de vários tipos de caldeiras, como fogões de alto-forno, caldeiras de geração de energia a gás, resfriadores de anel de sinterização, fornos de coque, etc. Esses equipamentos geram uma grande quantidade de calor residual em diferentes níveis de temperatura durante a operação - desde gás de combustão de média e baixa temperatura a 100 graus até gás de combustão de alta temperatura a 1050 graus. Se descarregado diretamente, não só causa sérios desperdícios de energia, mas também agrava a poluição térmica ambiental. O valor central dos trocadores de calor de recuperação de calor de caldeiras reside na construção de um sistema de circuito fechado de "captura de calor residual, reutilização eficiente de energia de troca de calor", combinando com precisão as características de calor residual de caldeiras de usinas siderúrgicas, convertendo o calor residual perdido em energia utilizável, como pré-aquecimento do ar de combustão, aquecimento de água de alimentação de caldeira e geração de vapor, conseguindo "transformar resíduos em tesouro". Seu desempenho determina diretamente a eficiência da recuperação de calor residual da caldeira e os efeitos-de economia de energia e redução de carbono, e é uma ponte fundamental que conecta o calor residual da caldeira e a reutilização de energia.
(1) Conservação de energia e redução do consumo, melhorando a eficiência da utilização de energia
No calor residual emitido pelas caldeiras de usinas siderúrgicas, o calor transportado apenas pelos-gás de combustão de alta temperatura é responsável por mais de 40% da dissipação total de calor do equipamento. Trocadores de calor de recuperação de calor de caldeira de alta qualidade podem atingir uma eficiência de transferência de calor de mais de 85%, melhorando significativamente a eficiência de utilização de energia. Por exemplo, depois que o gás de combustão do fogão a quente do alto-forno é tratado por um trocador de calor, o ar e o gás podem ser pré-aquecidos a 190-380 graus, reduzindo significativamente o consumo de combustível do fogão a quente e ajudando a melhorar a eficiência energética final do processo do alto-forno. O benefício global pode ser aumentado em 2% -4%; Após a introdução de um grande trocador de calor rotativo em um alto-forno de 2.500 metros cúbicos de uma determinada empresa siderúrgica de 10 milhões de toneladas, a temperatura do ar de combustão aumentou da temperatura ambiente para 380 graus, a eficiência de combustão de combustível do alto-forno aumentou em 12%, e a proporção de coque diminuiu de 550kg/t para 480kg/t, alcançando economias de energia significativas. Ao mesmo tempo, o trocador de calor pode reduzir a temperatura de exaustão da caldeira para 100-130 graus, evitando a perda de calor e promovendo o nível geral de consumo de energia da usina siderúrgica para se aproximar do benchmark da indústria.
(2) Reduzir custos e aumentar a eficiência, melhorar a competitividade central das empresas
O custo da energia é um componente importante do custo de produção das empresas siderúrgicas. Os trocadores de calor de recuperação de calor de caldeiras reduzem diretamente os custos operacionais para as empresas, reduzindo o consumo de combustível e eletricidade adquiridos, ao mesmo tempo que reduzem o investimento em operação e manutenção de equipamentos, alcançando ganhos duplos de eficiência. Tomando como exemplo o alto-forno de 1.800 metros cúbicos de Qinggang, com o apoio de um trocador de calor de recuperação de calor dedicado, uma quantidade adicional de calor pode ser recuperada a cada ano, o equivalente a uma economia de 39,57 milhões de metros cúbicos padrão de gás. Combinados com a redução de vazamentos de ar e economia de gás, os benefícios anuais-de economia de energia chegam a 9,116 milhões de yuans. Depois de deduzidos os custos operacionais, os benefícios incrementais-de economia de energia são de cerca de 8,91 milhões de yuans; Uma oficina de conversão de 120 toneladas adota um trocador de calor de tubo com aletas em espiral, que pode recuperar 12 milhões de kcal de calor por forno de aço, o equivalente a economizar 1,2 toneladas de carvão padrão. A geração anual de energia aumenta em 18 milhões de kWh e o ciclo de manutenção dos equipamentos é reduzido de 4 vezes por ano para 2 vezes, reduzindo os custos de manutenção em 40%. Para grandes empresas siderúrgicas, um sistema completo de trocador de calor com recuperação de calor de caldeira pode reduzir custos em milhões ou até dezenas de milhões de yuans anualmente, aumentando significativamente a competitividade da empresa no mercado.
(3) Redução de carbono verde, ajudando a transformação de baixo-carbono da indústria
No âmbito do objectivo do "carbono duplo", a indústria siderúrgica enfrenta requisitos rigorosos de redução de emissões. Os trocadores de calor com recuperação de calor de caldeiras podem efetivamente reduzir o consumo de energia, como carvão e gás natural, recuperando o calor residual em vez de queimar combustíveis fósseis, reduzindo assim as emissões de poluentes como dióxido de carbono, dióxido de enxofre e óxidos de nitrogênio. De acordo com os cálculos, para cada 1GJ de calor residual recuperado, aproximadamente 80{13}}100kg de emissões de dióxido de carbono podem ser reduzidas; Tomando como exemplo uma empresa siderúrgica com capacidade de produção de 5 milhões de toneladas, com o apoio de trocadores de calor de recuperação de calor de caldeiras, 26.000 toneladas de dióxido de carbono, 750 toneladas de dióxido de enxofre e 375 toneladas de óxidos de nitrogênio podem ser reduzidos anualmente. A Shiheng Special Steel recupera o calor residual do gás de carvão bruto por meio de um trocador de calor de camisa riser de forno de coque, obtendo vários benefícios de redução do consumo de energia de coque e controle de emissões de poluentes. Seu projeto de co-produção de aço temperado para redução e fixação de carbono reduz as emissões de carbono em 300.000 toneladas anuais e foi reconhecido como um "caso típico de neutralidade de carbono" pelo Ministério da Ecologia e Meio Ambiente; Depois de implantar vários trocadores de calor com recuperação de calor ao longo de todo o processo, uma empresa siderúrgica líder reduziu as emissões de dióxido de carbono em 850.000 toneladas anuais e criou benefícios econômicos de mais de 230 milhões de yuans, demonstrando plenamente o valor de baixo carbono dos trocadores de calor.
Tipos de núcleo e características técnicas: Adequado para vários cenários de caldeiras em usinas siderúrgicas
Existem vários tipos de caldeiras em usinas siderúrgicas, com diferenças significativas nas características do calor residual - temperaturas variando de 100 graus C a 1.050 graus C e composições complexas de gases de combustão (incluindo enxofre, cloro, poeira, etc.). Os correspondentes trocadores de calor de recuperação de calor da caldeira também apresentam tipos diferenciados, com o núcleo girando em torno de "utilização em cascata, troca de calor precisa", adaptando-se a diferentes cenários de caldeira e qualidade de calor residual, alcançando a utilização máxima dos recursos de calor residual e resolvendo pontos problemáticos como corrosão, acúmulo de cinzas e degradação de desempenho de equipamentos tradicionais.
(1) Tipos convencionais de trocadores de calor e vantagens tecnológicas
1. Trocador de calor de pré-aquecimento duplo com controle de temperatura inteligente: Usando óleo térmico como meio de calor, um sistema de troca de calor de "óleo térmico de gás de combustão ar/gás" é construído, consistindo em trocador de calor de gás de combustão, trocador de calor de ar, trocador de calor de gás e sistema de controle inteligente, principalmente adequado para baixa- temperatura de recuperação de calor residual de gás de combustão de fogão de alto-forno e caldeira de geração de energia a gás. Sua principal vantagem é resolver fundamentalmente o problema da corrosão ácida do ponto de orvalho em baixa-temperatura, aliviar o fenômeno do acúmulo de cinzas, e a vida útil do equipamento pode chegar a mais de 10 anos, excedendo em muito a vida útil dos trocadores de calor tradicionais de placas e tubos de calor em 3-5 anos. Em condições normais de operação, o calor residual na temperatura de entrada do gás de combustão de 280 graus pode ser recuperado para pré-aquecer o gás e o ar a uma temperatura de 190 graus; Quando a temperatura de entrada do gás de combustão é de 330 graus, a temperatura de pré-aquecimento pode ser aumentada para 230 graus, e a temperatura de exaustão pode ser reduzida para menos de 130 graus, com um mínimo de 100 graus.
2. High temperature sleeve heat exchanger: Designed for high temperature conditions, the upper limit of the working temperature of the hot fluid reaches 1050 ℃, breaking through the bottleneck of conventional heat exchangers in handling high temperature media. Adopting a "radiation+convection" composite heat transfer mode, the high-temperature section (>750 graus) usa um módulo de transferência de calor por radiação do tipo luva para transferir energia térmica através das características de radiação do gás de combustão, evitando danos por estresse térmico; Quando a temperatura cai abaixo de 750 graus, mude para o modo de transferência de calor convectivo, combinado com a vantagem de transferência de calor de alta-eficiência dos trocadores de calor de placas, o coeficiente de transferência de calor pode chegar a 3500W/(m² · K), e a área ocupada pelo equipamento é reduzida em mais de 40% em comparação com soluções tradicionais [2]. Após a reforma de um alto-forno de 2.000 m³ em uma determinada siderúrgica, a eficiência da recuperação de calor sensível a gás aumentou 22%, economizando 12.000 toneladas de carvão padrão anualmente.
3. Trocador de calor de tubo: Um dos tipos mais utilizados, o núcleo é composto de vários tubos de metal resistentes a altas-temperaturas (como aço inoxidável 310S, liga de Inconel, etc.). O gás de combustão de alta temperatura flui para fora do feixe de tubos e o meio a ser aquecido circula dentro do tubo, alcançando a transferência de calor através da condução de calor na parede do tubo. A estrutura é robusta, capaz de suportar altas temperaturas e pressões de 800-1.200 graus, fácil de limpar e manter, e adequada para ambientes de gases de combustão com alto teor de poeira, como altos-fornos e conversores em usinas siderúrgicas. O conversor de 120 toneladas de uma empresa de aço especial adota um trocador de calor de tubo com aletas em espiral, com uma única área de troca de calor de 3.200 metros quadrados. As aletas são feitas de material de liga de níquel-cromo com uma resistência à temperatura de 850 graus, resistindo efetivamente à corrosão em alta temperatura e reduzindo a temperatura dos gases de combustão de 800 graus para 280 graus. O efeito de recuperação de calor residual é significativo.
4. Trocador de calor de placas: Usando placas de metal corrugadas como elementos de troca de calor, canais estreitos são formados entre as placas e o gás de combustão de alta-temperatura flui em sentido inverso com o meio a ser aquecido. A área de transferência de calor é grande e a eficiência é alta, que é 10% -30% maior que os trocadores de calor tubulares tradicionais. O volume compacto é adequado para cenários de espaço limitado. Para o gás de combustão de alta temperatura de 650 graus no forno de aquecimento de laminação de aço, o trocador de calor de placas tipo anti-cinzas adota um design de placa especial e é equipado com um sistema automático de limpeza de cinzas, que pode usar o calor do gás de combustão para pré-aquecer o ar de combustão e a água de resfriamento do laminador, reduzindo o consumo de combustível do forno de aquecimento em 10%.
5. Trocadores de calor auxiliares: incluindo economizadores, pré-aquecedores de ar, trocadores de calor de tubos de calor, etc., usados principalmente para recuperação de calor residual de média e baixa temperatura (temperatura<500 ℃). Economizer recovers waste heat from boiler exhaust to heat water and reduce boiler energy consumption; Preheat the combustion air with an air preheater to improve combustion efficiency; Heat pipe heat exchangers have extremely strong thermal conductivity, dozens of times that of traditional metals, and can efficiently transfer heat at small temperature differences. They are suitable for the recovery of medium and low temperature waste heat such as blast furnace gas and sintering flue gas, but need to solve the problems of traditional heat pipe overheating and bursting, and annual performance degradation of 5%.
Tendências da indústria e perspectivas de desenvolvimento
Com a promoção do “Plano de Ação Especial para Conservação de Energia e Redução de Carbono na Indústria Siderúrgica” nacional, até o final de 2025, o consumo de energia por unidade de produto de altos-fornos e conversores na indústria siderúrgica será reduzido em mais de 1% em relação a 2023, e o consumo abrangente de energia por tonelada de aço será reduzido em mais de 2%. Os trocadores de calor com recuperação de calor de caldeiras, como equipamento principal para conservação de energia e redução de carbono, darão início a um espaço de desenvolvimento mais amplo. Com base nas necessidades de desenvolvimento da indústria e nas direções de inovação tecnológica, haverá três tendências principais de desenvolvimento para trocadores de calor com recuperação de calor de caldeiras no futuro.
Uma delas é a atualização da inteligência tecnológica, integrando novas tecnologias como IA, gêmeos digitais e Internet das Coisas para obter monitoramento-em tempo real, regulação precisa e aviso de falhas do status de operação dos trocadores de calor, melhorando ainda mais a eficiência da troca de calor e reduzindo os custos de operação e manutenção; Ao mesmo tempo, o desenvolvimento de trocadores de calor adaptativos pode ajustar automaticamente os parâmetros operacionais com base nas flutuações na temperatura e na vazão do calor residual, adaptando-se a cenários complexos de calor residual em usinas siderúrgicas.
A segunda é a inovação material e estrutural, usando materiais de liga mais avançados resistentes a altas-temperaturas e corrosão-, como INCONEL 625, aço inoxidável 310S, etc., para melhorar a estabilidade do trocador de calor em ambientes de alta temperatura, alta corrosão e muita poeira; Otimize o projeto estrutural dos trocadores de calor, desenvolva trocadores de calor compactos e eficientes, reduza a área ocupada e melhore a utilização do espaço, como a redução da área ocupada pelos-trocadores de calor de manga de alta temperatura em mais de 40% em comparação com soluções tradicionais.
O terceiro é o desenvolvimento da integração de sistemas, que combina trocadores de calor de recuperação de calor de caldeiras com recuperação de gás, ciclo de vapor e sistemas de armazenamento de energia para construir um sistema integrado de reciclagem de energia, melhorar a auto{0}suficiência energética das empresas e lidar com flutuações de preços de eletricidade e riscos de fornecimento de energia; Ao mesmo tempo, combinando novas tecnologias de fundição, como a metalurgia do hidrogênio, otimizando o projeto do trocador de calor, adaptando-se a novas estruturas de fontes de calor e promovendo a indústria siderúrgica a passar de "conservação de energia e redução de carbono" para "zero emissões de carbono".
Além disso, com a melhoria contínua dos padrões da indústria, como a promoção de padrões da indústria para a recuperação de calor residual do gás riser de coqueria, a aplicação de trocadores de calor de recuperação de calor de caldeiras será mais padronizada e padronizada, promovendo o nível geral de eficiência energética da indústria. De acordo com a capacidade nacional de produção de ferro de 1 bilhão de toneladas, se os trocadores de calor avançados de recuperação de calor de caldeiras forem totalmente promovidos, poderão economizar cerca de 4,8 bilhões de yuans em custos e reduzir as emissões de dióxido de carbono em 5,2 milhões de toneladas anualmente, com benefícios econômicos e ambientais significativos.
